超聲波測距模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以MCS-51單片機(jī)為核心的超聲波測距模塊。該模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、顯示單元和ISP下載單元等組成，由單片機(jī)產(chǎn)生超聲波的發(fā)射信號并對其傳播時(shí)間進(jìn)行測量，依據(jù)超聲波在空氣中的傳播特性，換算出距離數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)測量距離的目的。設(shè)計(jì)中采用LM386作為超聲波的發(fā)射驅(qū)動(dòng)，采用集成芯片CX20106作為超聲波接收單元，結(jié)構(gòu)簡潔，集成度高。通過實(shí)驗(yàn)表明，該模塊性能可靠，能較準(zhǔn)確地測出與障礙物之間的距離，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：超聲波測距；MCS-51單片機(jī)；LM386；CX20106

0 引言
    在多數(shù)項(xiàng)目研發(fā)中，距離測量顯得越來越重要，常用的測距方式主要有雷達(dá)測距、紅外測距、激光測距和超聲測距等4種。雷達(dá)測距對天氣的依賴性較強(qiáng)，且成本較高；紅外測距測量范圍窄；激光測距精度高、抗干擾力強(qiáng)、但成本高，且光學(xué)系統(tǒng)需細(xì)心維護(hù)；超聲波測距指向性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、受環(huán)境影響小、傳播時(shí)間容易檢測，而且超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低、易于集成，因此本文采用超聲波方式進(jìn)行距離測量。

1 超聲波測距原理
    超聲波發(fā)生器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)兩極外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波；同理，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號。
    測距原理如圖1所示。

    被測距離。式中：s為超聲波傳播距離；h為發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離。
    由于s遠(yuǎn)大于h，因此可近似認(rèn)為d=s，則d=s=ct／2，t為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔，c為超聲波在空氣中的傳播速度。
    在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334m／s，但其傳播速度c易受空氣中溫度的影響，聲速與溫度關(guān)系如表1所示，由此可修正超聲波傳播速度
   

    可見，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及環(huán)境溫度T，就能得到較為精確的距離。

2 方案設(shè)計(jì)
2．1 電路設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)的超聲測距模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、液晶顯示單元和ISP下載單元等部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2．1．1 單片機(jī)單元
    單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，本文選用AT89S51，測量時(shí)，由單片機(jī)輸出40 kHz左右的脈沖信號，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。超聲波達(dá)到目標(biāo)時(shí)回傳，經(jīng)空氣傳播被超聲波接收器接收，此時(shí)計(jì)時(shí)停止，經(jīng)計(jì)算可得超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t，從而得到距離數(shù)據(jù)。
2．1．2 超聲波發(fā)射單元
    考慮到單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力有限，本文采用LM386對輸出信號進(jìn)行功率放大，LM386多用于音頻放大，也可用于超聲波發(fā)射。如圖3所示，LM386第1腳和第8腳之間串接的E1、R1，可使電路獲得較大的增益，T0為單片機(jī)輸入的脈沖信號，經(jīng)功率放大后由第5腳輸出，驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)射超聲波。

2．1．3 超聲波接收單元
    為了順利接收回波信號，本文采用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，如圖4所示，CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，范圍為30～60 kHz，因此本文采用它來做接收電路。

    回波信號先經(jīng)過CX20106內(nèi)部的前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆?，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳，7腳與單片機(jī)INT0連接，當(dāng)接收到與濾波器中心頻率相符的回波信號時(shí)，輸出端7腳即輸出低電平，觸發(fā)中斷。
2．1．4 溫度測量、液晶顯示與ISP單元
    溫度測量單元選用1Wire總線器件DS18B20作為傳感器，實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的采集，液晶模塊實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示，ISP單元實(shí)現(xiàn)程序代碼的在系統(tǒng)下載，電路圖從略。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件部分主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序，如圖5所示。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、溫度讀取和超聲波發(fā)射；中斷服務(wù)子程序主要完成計(jì)數(shù)值的讀取、距離計(jì)算、輸出顯示等工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    表2是利用本文的測距模塊實(shí)際測量的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可見，在30cm范圍內(nèi)誤差較大，這是由于超聲波信號的發(fā)射必須有一個(gè)上升時(shí)間，如果距離太近單片機(jī)難以及時(shí)處理回波信號，無法正確檢測回波到達(dá)時(shí)間，因而測量誤差明顯增加；而距離在30em以上時(shí)，由于引入溫度補(bǔ)償單元，因而誤差相對較小。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的超聲波測距模塊，采用了集成元件LM386、CX20106作為發(fā)射和接收的核心器件，并引入了DSl8B20作為溫度補(bǔ)償單元，因此結(jié)構(gòu)簡單、集成度較高、可靠性較強(qiáng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測量結(jié)果與實(shí)際距離相近，基本滿足測量要求。